基于长时间差分相关/最大似然法的北斗信号位同步算法

北斗信号二次编码调制了速率为1 kbps的NH码,频繁的比特跳变将相干积分时间限制在1 ms,需要对信号实现位同步获得比特边缘信息和NH码相位信息。为了实现弱信号、大频偏条件下北斗信号的位同步,解决频繁比特跳变和大频偏对传统位同步算法的性能影响问题,提出了一种基于长时间差分相关的最大似然位同步算法。首先,采用差分相关运算去除剩余频率误差的影响,并将差分延迟时间设定为整数倍比特周期以去除NH码的影响;其次,基于最大似然函数进行差分相关后的相干和非相干检测,提高弱信号条件下的位同步检测概率。最后,采用蒙特卡洛仿真测试分析了载噪比为20~40 d B·Hz、不同频率误差的条件下,此算法与传统位同步算法的检测性能。结果表明在频率误差为50 Hz的条件下,传统位同步方法无法工作,本文提出的算法仍具备较好的检测性能。该算法能够有效地去除北斗NH码频繁相位变化对位同步的影响、减弱频率误差对位同步性能的衰减作用,以及通过相干/非相干累积获得弱信号能力,该算法适用于弱信号、大频率偏差条件下的北斗信号位同步。     

一种新型的GPS弱信号精捕获方法

为提高GPS接收机在低信噪比环境中的捕获精度和灵敏度,提出了一种新的弱信号精捕获算法。该算法采用差分相干积分缓解平方损耗,并利用积分结果的相位信息修正载波频率,使其估计精度不再受到频移搜索步长的限制。此外,该算法根据载波多普勒和码多普勒的比例关系,直接对本地码相位进行校正,保证了信号积累时间较长时不同相关峰之间的重叠性,有助于提高捕获灵敏度并能够得到接收信号末端精确的码相位。仿真结果表明,载波频率和码相位的估计误差分别小于20 Hz和1个采样点,在给定的信号积累时间下,本地码相位校正对捕获灵敏度的提升可达3.2 d B。     

基于分段折叠算法的北斗C_(B2I)码快速捕获

以最新公布的北斗B2信号为研究对象,针对采样频率较高时,利用传统的并行码相位搜索捕获算法对北斗CB2I码进行捕获存在总运算量和单次FFT运算点数较大的问题,提出了一种基于分段折叠的基带信号快速捕获算法,即利用本地CB2I码前后两段折叠处理形成本地折叠CB2I码进行捕获运算。利用仿真的北斗B2信号源对本文提出的改进算法进行了验证,仿真结果表明,和传统的捕获算法相比,改进的快速捕获算法将捕获过程的总运算量以及单次FFT运算的点数降低了约一半,提高了北斗CB2I码的捕获速度。此外,可以根据信号强度的不同对捕获速度和捕获灵敏度进行权衡,保证北斗B2I信号捕获性能的最优。     

GPS软件接收机捕获算法

研究了GPS软件接收机捕获算法;针对常规时域串行搜索算法速度慢和并行码相位频域搜索算法 FFT计算量大等缺点,采用常规串行捕获算法和频域并行码空间捕获算法相结合的混合搜捕算法来实现对空中可见卫星的捕获;针对信号较弱情况下的卫星捕获,采用了非相关积分捕获算法;设计了中频信号仿真器,并使用其产生的仿真信号对捕获算法进行了验证.测试结果表明,混合搜捕算法能够为软件接收机提供较快的捕获能力,非相关积分捕获算法能够有效地实现微弱信号的捕获.     

基于GPU的GPS信号并行捕获

针对计算机中央处理器上串行实现GPS捕获算法耗时长的缺点,利用具有强并行处理能力的图形处理器设计实现了两种分别适用于不同载噪比信号的并行捕获算法以提高捕获速度。所提算法基于计算机统一设备架构的设计思想,采用了并行码相位搜索捕获策略,通过对GPS星座32颗卫星多通道、多频点的并行搜索实现了强信号捕获,而对弱信号则采用非相关积分法,通过对单颗卫星多时段、多频点的并行搜索再进行通道的串行处理来实现并行捕获。仿真结果表明:两种并行捕获算法比串行实现的捕获算法速度提高了10倍;采用非相干积分提高了弱信号捕获能力,对于载噪比为40 dB的10 ms中频数据,在保证捕获速度的同时,仍能够有效实现正确捕获。     

基于自相关侧峰消除的北斗B1C快速高精度捕获算法

北斗三号播发的B1C信号采用二进制偏移载波(BOC)调制方式和10ms周期的伪随机码,可以与现存L1频段上的导航信号共有载波频率,同时提高导航信号的跟踪精度和伪距测量精度。然而,BOC调制会带来相关函数多峰性问题,10ms周期的伪随机码会极大增加信号捕获的计算量,影响捕获速度,同时长码的跟踪需要更小带宽的跟踪环路,这对捕获精度提出更高要求。为此,根据北斗B1C信号的特点,在利用ASPeCT技术消除BOC信号相关副峰的基础上,兼顾捕获的快速性与精度,提出一种北斗BIC信号快速高精度捕获算法。所提算法先利用多级搜索和降采样策略快速实现信号的粗捕获,将捕获频率范围缩小,再利用多项式曲线拟合的方法进行多普勒频率精捕获,提高捕获精度。在多级搜索过程中,相关计算融合ASPeCT技术,通过本地码与副载波调制码构造无副峰相关函数,确保搜索过程无模糊度。所提捕获算法经接收前端采集的北斗B1C信号测试,实验表明,该捕获方法对相关副峰的消除程度可达到86.70%,多普勒频率误差缩小到1Hz以内,捕获耗时相对缩短了近2/3,实现了快速高精度捕获,保障了后续跟踪算法的成功率。     

一种低运算量GNSS接收机快速捕获方法

为了减少捕获阶段占用的时间与功耗,提出了一种低运算量的快速捕获方法。首先选取伪码周期整数倍数据进行二维重排,利用降采样理论对每个数据横块混叠;其次通过竖块FFT运算实现频率补偿以增强叠加信号的信噪比,使用横块FFT运算细化多普勒频移分辨率并得到特定的伪码相位筐,搜索特定筐内伪码相位的最大相关值。最后得到确切的伪码相位与多普勒频移。实际数据仿真结果表明,降采样因子与数据块个数取2时,所提方法运算效率是基于FFT捕获方法的4.1倍,基于SFT捕获方法的1.7倍,运算效率随降采样因子与数据块个数增大显著提升,能更好满足接收机的性能要求。     

自适应非相干矢量跟踪环路设计

针对导航接收机相关累加结果受导航电文数据比特跳变影响的问题,提出了一种自适应非相干矢量跟踪环路。通过在传统矢量跟踪环路中引入非相干频率/码鉴别器,使非相干与相干结合的相关器累加结果不再受比特跳变的影响。对非相干积分的灵敏度和动态性能进行了理论分析和仿真验证,同时给出了在一定动态范围内环路积分时间的优化选择方案,实现了环路积分时间在1~10 ms及非相干次数在1~10次的自适应调整设置。实验结果证明,自适应矢量非相干环路提升跟踪灵敏度约6 d B,非相干方法提高了矢量跟踪环路性能。     

基于组合FFT的多核北斗软件接收机并行捕获算法

目前数字信号处理器已经由单核系统发展为多核并行系统,可通过并行执行任务加快信号处理速度。北斗C_(B2I)码是GPS C/A码码长的两倍,若使用传统捕获算法将会延长信号捕获时间。基于此问题,提出了一种基于组合FFT的并行捕获算法。该算法将信号奇偶点分开进行并行处理,可将单次FFT变换点数减半,并通过高效利用多核资源加快信号捕获速度。为了验证算法性能,对比了传统算法和改进后算法的PTP值。仿真结果表明,两算法PTP均值分别为2.961和2.938,改进后算法未降低捕获精度。最后,以多核嵌入式平台为基础分析了两算法的单核运算量,结果表明:当待处理的信号点数由1000增加到256 000时,改进后算法单核乘法运算量减少比例由33%增加到了40%,而加法计算量始终减少50%,改进后算法可达到快速捕获的效果。     

基于分段分裂基FFT的GPS L1辅助L2C信号快速捕获算法（英文）

为了缩短GPS L2C CM/CL长码的搜索捕获范围进而提高捕获速度,提出了一种基于分段分裂基FFT的L1辅助L2C信号快速捕获算法,可以有效降低计算量和节省存储空间,因而适合在嵌入式系统中实现。首先根据捕获到的L1信号的多普勒频率将L2C信号的多普勒搜索范围缩至一个固定的值,然后综合利用S-SFFT、补零和重叠舍弃算法快速准确地确定L2C CM/CL码的码相位。利用本文设计的L2C信号产生器产生L2C信号对该算法进行了仿真验证。实验结果表明,当L2C信号强度较强时,该算法可以以显著降低的计算量完成对码相位的准确快速捕获。     

北斗二代导航信号抗多径性能分析与仿真

针对北斗二代导航信号抗多径性能的分析需求,推导了基于相干超前减滞后延迟锁定环的码跟踪多径误差评估方法,运用该方法分析了北斗二代导航信号的抗多径性能,仿真表明在多径直达信号幅度比为-6 dB,相关间距为24 ns,信号带宽为24 MHz时,北斗二代导航信号都能区分大于300 m的多径延迟。以MBOC信号为例对不同的多径直达信号幅度比、相关器间距、信号接收带宽、信号组成时导航信号的多径性能进行了仿真。结果表明:在多径直达信号幅度比一定时,提升信号的高频分量,在接收端采用窄相关技术和宽的接收带宽可将北斗二代导航信号的多径误差限制在4 m以内,且衰减速度更快,从而改善信号的抗多径性能。     

基于MATLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现

研究了GPS软件接收机的捕获和跟踪算法,并基于Matlab软件平台和射频前端在PC上实现了GPS软件接收机样机。介绍了GPS软件接收机的结构和数据采集硬件,讨论了GPSC/A码的特性、产生原理以及捕获过程。针对传统的串行搜索算法慢的缺点以及高动态GPS软件接收机的特点,在该样机中实现了快速的基于循环卷积的并行捕获算法,并联合使用超前滞后环和对相位反转不敏感的科斯塔斯锁相环分别对码相位和多普勒频偏进行跟踪,解调得到导航电文。仿真和测试结果表明,使用GPS软件接收机进行信号处理的思想使用户在算法处理和软件升级等方面具有更大的灵活性,可应用于下一代任何全球导航卫星定位系统(GNSS)和空基增强系统(SBAS)接收机的设计。     

基于半比特交替和FFT组合的GPS软件接收机弱信号捕获算法

研究了在弱信号条件下GPS软件接收机的捕获算法,对传统的捕获算法进行了介绍,分析了其在弱信号捕获中的不足之处,通过块叠加的方法对传统算法进行改进,使信号检测能力得到了提高,同时大大降低了捕获的运算量,缩短了长时间积分捕获算法的运行时间。分析了算法的积分增益和损耗,利用假设检验的思想,根据信号分量会扩散到附近频率的事实,最大峰值和其附近±13个频率点上的相关值作为信号分量,以此生成信号检测量,根据此检测量来判定信号的存在。最后利用仿真的GPS信号在Matlab平台上对算法进行了验证。结果表明,通过10 ms的相干积分和5次非相干累加,可以成功捕获信噪比为-35 dB左右的微弱信号,采用块叠加改进后,算法的运行时间缩短了1/3以上。     

基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合导航系统

由于北斗卫星所处轨道远离地球,无源北斗接收机输出伪距的误差较大,影响了与惯导进行伪距组合时的滤波定位效果。考虑到无源北斗伪距误差建模复杂,且Kalman滤波要求误差模型准确,作者研究了采用单机伪距差分的方法减少滤波量测值误差,通过理论分析建立了基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合模型。跑车试验表明,该组合导航算法可有效提高系统的定位精度,并具有滤波参数调整简单的优点。     

基于深组合应用的GPS接收机设计

为了能在GPS接收机的基带信号处理部分引入SINS的辅助信息,并且灵活进行接收机的参数设定和加载新的信号处理算法,提出了一种基于FPGA/DSP平台的GPS接收机设计。用Xilinx的Spartan 3E-1600完成RF数据的采集和AGC控制,对采集数据进行相干累加计算;用TI公司TMS320系列的VC6727完成基带信号处理和PVT解算。同时,基于对低价、小尺寸的考虑,RF前端用分立元件进行设计。该接收机尺寸小,功耗低,参数控制灵活,有较好的通用性和兼容性,并且提高了动态性能和抗干扰能力。     

环路跟踪卡尔曼滤波算法的性能分析

基于卡尔曼滤波的环路跟踪算法多是通过一定仿真证明算法性能,没有系统性性能评估,难以较好指导工程应用。在原有算法基础上进行了优化,并系统性地对比分析、评估了基于卡尔曼环路滤波算法性能,以期为算法工程化提供指导。首先提出对跟踪环路反馈调整量进行预测,使之更符合系统实际,减小环路跟踪误差。而后基于卫星信号模拟器输出信号和自生产信号源,充分评估基于卡尔曼滤波环路跟踪算法的收敛时间和灵敏度。仿真结果表明,相比目前工程常用的二阶FFL辅助三阶PLL算法,基于卡尔曼滤波环路跟踪算法能够缩短环路所需稳定时间约90%,并能提升跟踪灵敏度约5 d B,有效改善弱信号场景中接收机输出信息的完好性和连续性。     

基于北斗信号辐射源的无源雷达定位技术

外辐射源无源跟踪对提高区域防御系统的生存能力和反击能力具有重要的军事意义和实用价值。近年来,基于星载辐射源的无源雷达探测系统受到广泛关注。在选取北斗卫星信号为研究对象的基础上,首先从模糊函数和雷达探测距离方面重点分析了北斗信号作为无源雷达辐射源的实用性。然后研究了一种基于时差测量的多发单收型无源雷达定位系统,并给出了解算目标位置的总体最小二乘算法。最后对该系统下的定位算法和定位精度进行分析,仿真结果表明在相同条件下,总体最小二乘算法能减小近50%的定位误差,且误差波动范围明显减小。     

GPS 和 Galileo 空间信号仿真及分析

介绍和详细分析了GPS和Galileo的空间信号。将Galileo空间信号结构及特性与GPS进行了比较,对接收机接收天线接收的射频信号进行下变频并予以分析。为避免信号混叠,仿真中先采用带通滤波器对射频信号进行滤波,然后采用过采样(过采样因子等于8)进行下变频处理。GPS和Galileo信号通过功率归一化加上高斯白噪声产生。对GPS采用的C/A码和Galileo采用的BOC(1,1)码进行比较,发现后者的中心波峰较窄,尽管这一特点使接收机的跟踪处理更为复杂,但提供了较好的接收性能,尤其在多路效应情况下也更为有效。仿真结果为GPS/Galileo双频软件接收机捕获和跟踪算法设计提供了很好的理论基础。